了解旋转机械中的轴弯曲现象
定义：什么是轴弓？
轴弓 （也称为轴弯曲、转子弓形或简称“弓形”）是指以下情况： 动盘 轴杆已形成永久性或半永久性弯曲，导致其偏离直线中心线。这与暂时性弯曲不同。 跑垒出局 轴弯曲可能是由于部件松动或安装偏心造成的，轴弯曲则代表轴材料本身的实际变形。.
轴弓产生 振动 表面上相似的症状 不平衡, 但这无法通过常规方法纠正。 平衡 操作流程。因此，正确的诊断至关重要，可以避免浪费时间试图平衡弯曲的轴杆。.
弓杆类型
箭杆弯曲可根据其成因和持续时间进行分类：
1. 永久机械弓
这是由以下原因引起的轴材料的塑性（永久性）变形：
- 机械过载或冲击
- 维护过程中不当的起吊或搬运
- 转子脱落
- 操作过程中过大的弯曲应力
- 制造缺陷或热处理不当
一旦轴发生屈服（永久变形），即使轴处于静止状态且所有载荷都已移除，弓形仍然会保持。.
2. 热弓（瞬态）
也称 热弓 或 热弓, 这是由于轴受热不均造成的暂时性现象。受热侧比冷侧膨胀得更多，从而形成暂时的弯曲。其原因包括：
- 非对称热源（一侧为高温工艺流体，另一侧为冷却空气）
- 轴承摩擦生热导致轴的一侧发热
- 转子摩擦产生局部热量
- 户外设备的太阳能加热
- 大型涡轮机预热程序不当
当轴均匀冷却或达到热平衡时，热弯曲通常会消失。然而，反复的热弯曲最终会导致永久变形。.
3.残余应力弓
焊接、热处理或制造过程中产生的内部残余应力会导致轴随着时间的推移而缓慢弯曲，尤其是在承受工作温度或机械载荷导致应力释放时。.
轴弯曲的原因
了解根本原因有助于防止杆身弯曲并指导纠正措施：
机械原因
- 超载： 在超过设计极限的负载下运行
- 储存不当： 轴杆水平存放且缺乏适当支撑，会导致轴杆随着时间的推移而下垂。
- 处理不当： 采用竖井吊装而非指定吊点吊装
- 事故或碰撞： 跌落、碰撞或异物损坏
- 轴承扣押： 轴承卡死会导致轴在驱动扭矩的作用下发生弯曲。
热力原因
- 加热不均匀： 轴圆周周围温度分布不均匀
- 温度快速变化： 启动或关闭过程中的热冲击
- 热门地点： 摩擦、擦伤或工艺条件引起的局部加热
- 热身不足： 冷启动涡轮机或大型机械的速度过快
- 停机程序： 允许高温轴在冷却前停止旋转（热下垂）
材料和制造原因
- 材质差： 夹杂物、空隙或材料不均匀性
- 热处理不当： 淬火或回火产生的残余应力
- 焊接变形： 非对称焊接会产生残余应力
- 加工应力： 制造过程中产生的应力
轴弓如何引起振动
弯曲的轴通过两种机制产生振动：
1. 几何不平衡
当弯曲的轴旋转时，其弯曲的中心线会扫出一个圆锥体或其他非圆形路径。即使转子的质量分布完全平衡，弯曲的几何形状也会产生偏心旋转质量，从而产生离心力，产生1倍振动（轴旋转频率的振动）。.
2. 轴承上的力矩载荷
曲率会产生弯矩，这些弯矩会传递到轴承，导致轴承载荷波动和振动。.
检测轴弓
区分轴弯曲和真正的质量不平衡对于有效排除故障至关重要：
症状对比：弓形腿 vs. 失衡
| 特征 | 不平衡 | 轴弓 |
|---|---|---|
| 振动频率 | 1倍跑步速度 | 1倍跑步速度 |
| 相位关系 | 始终如一 | 热身期间可能会发生变化 |
| 慢滚振动 | 现值（与速度²成正比） | 即使在极低速下，这种现象也往往十分显著。 |
| 对平衡的回应 | 通过正确的平衡来减少振动 | 改善甚微或无改善；可能恶化 |
| 热灵敏度 | 温度相对稳定 | 热身/放松过程中发生显著变化 |
| 跑偏测量 | 转子静止时低速 | 即使在静止状态下，跑动距离也很大（永久弯曲） |
诊断测试
1. 慢速滚动测量
缓慢旋转轴（通常为 5-10% 的工作转速）并测量 跑垒出局 使用接近式探头或千分表进行测量。低速滚动时跳动量大表明轴弯曲或机械跳动，而不是不平衡（不平衡产生的力与速度的平方成正比）。.
2. 停机相移
监测振动 相位角 机器停机时，真正的不平衡状态无论转速如何都能保持恒定的相位。弯曲的轴可能会出现相位变化，尤其是在冷却时。.
3. 热弓试验
如果怀疑存在热弯曲现象，应监测启动和预热过程中的振动情况。热弯曲通常表现为机器升温时振动逐渐增大，然后在达到热平衡后振动可能趋于稳定或减小。.
4. 脱机运行检查
拆下转子，将其支撑在V型块或车床上，缓慢旋转，同时用千分表测量径向跳动。较大的跳动（通常大于0.001英寸或25微米）表明转子已永久弯曲。.
5. 目视检查
对于较大的箭杆，沿箭杆长度进行目视瞄准或使用光学方法（激光对准）可以发现明显的弓形。.
校正方法
适当的矫正方法取决于弓形畸形的严重程度和类型：
永久机械弓
1. 轴矫直
轻度至中度弓形弓（通常） 如果轴的偏差小于 0.005 英寸（125 微米），有时可以使用液压机进行冷矫直或热矫直。这需要专用设备和熟练的技术人员。轴需要支撑并施加适当的载荷，使其发生塑性变形，从而恢复笔直状态。.
2. 热应力释放
对轴进行热处理以消除残余应力，从而可能减少或消除由应力引起的弯曲。这需要合适的炉设备和工艺控制。.
3. 轴更换
对于严重弯曲或关键应用场景，更换轴通常是最可靠的解决方案。必须权衡新轴的成本、停机时间以及矫直尝试失败的风险。.
4. “围绕弓身保持平衡”
在某些情况下，特别是对于大型风力涡轮机，可以计算并安装修正配重来抵消弓形效应。这并不能完全消除弓形效应，但可以最大限度地减少振动。这种方法存在局限性，通常只是一种临时解决方案。.
热弓
1. 操作流程变更
- 实施缓慢的热身程序
- 停机期间保持齿轮持续运转，以防止热下垂
- 更仔细地控制蒸汽入口或工艺流体温度
- 确保对称加热/冷却
2. 设计修改
- 增加隔热层以减少温度梯度
- 安装加热背心以实现均匀升温
- 改进冷却系统，确保温度均匀分布
3. 回转齿轮操作
对于大型涡轮机，在预热和冷却期间操作回转齿轮（低速旋转驱动装置）来旋转轴，以防止热弯曲的发生。.
预防策略
防止轴弯曲远比纠正轴弯曲容易得多：
设计与制造
- 采用适当的热处理工艺以最大程度地减少残余应力。
- 设计足够的轴刚度以满足应用需求
- 为热环境指定合适的材料
安装和维护
- 吊装转子时务必使用指定的吊点，切勿通过轴吊装。
- 存放备用转子时应妥善支撑，以防止下垂。
- 搬运过程中避免机械冲击
- 定期检查轴的直线度（每年或按制造商规定）。
手术
- 遵循制造商的预热和关闭程序
- 避免温度快速变化
- 启动过程中需注意观察热弓现象。
- 调查振动相位中任何无法解释的变化
对平衡程序的影响
试图平衡弯曲的轴通常是徒劳的，而且可能会适得其反：
- 无效的纠正措施： 为平衡质量不平衡而计算的配重无法校正几何弯曲
- 掩盖问题： 对弯曲轴进行部分“平衡”可能暂时减少振动，但无法解决根本问题。
- 浪费时间： 多次平衡迭代均未成功表明需要检查弓形结构。
- 潜在损害： 在弯曲的杆身上增加较大的配重可能会增加应力，并造成进一步的损坏。
最佳实践： 在开始平衡程序之前，务必检查轴的弯曲情况，特别是如果转子曾被搬运、经历过热事件或出现过无法解释的振动问题。.
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